Bijna een kwart van het heelal staat letterlijk in de schaduw. Volgens de theorieën van kosmologen, 25,8% daarvan bestaat uit donkere materie, waarvan de aanwezigheid in wezen alleen wordt gesignaleerd door zijn zwaartekracht. Waar deze stof uit bestaat, blijft een mysterie. Herman Nicolai, Directeur van het Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica in Potsdam, en zijn collega Krzysztof Meissner van de Universiteit van Warschau hebben nu een nieuwe kandidaat voorgesteld:een superzware gravitino. Het bestaan ​​van dit nog hypothetische deeltje volgt uit een hypothese die probeert te verklaren hoe het waargenomen spectrum van quarks en leptonen in het standaardmodel van de deeltjesfysica zou kunnen voortkomen uit een fundamentele theorie. In aanvulling, de onderzoekers beschrijven een mogelijke methode om dit deeltje daadwerkelijk op te sporen.

Het standaardmodel van de deeltjesfysica omvat de bouwstenen van materie en de krachten die ze bij elkaar houden. Er staat dat er zes verschillende quarks en zes leptonen zijn die zijn gegroepeerd in drie 'families'. Echter, de materie om ons heen en wijzelf bestaan ​​uiteindelijk uit slechts drie deeltjes uit de eerste familie:de up- en down-quarks en het elektron, die lid is van de lepton-familie.

Tot nu, dit al lang bestaande standaardmodel is ongewijzigd gebleven. De Large Hadron Collider (LHC) bij CERN in Genève werd ongeveer tien jaar geleden in gebruik genomen met als voornaamste doel te onderzoeken wat daarachter zou kunnen liggen. Echter, na tien jaar gegevens verzamelen, wetenschappers hebben geen nieuwe elementaire deeltjes ontdekt, behalve het Higgs-deeltje, ondanks de wijdverbreide verwachtingen van het tegendeel. Met andere woorden, tot nu, metingen met de LHC hebben geen enkele aanwijzing gegeven voor "nieuwe fysica" buiten het standaardmodel. Deze bevindingen staan ​​in schril contrast met talrijke voorgestelde uitbreidingen van dit model die een groot aantal nieuwe deeltjes suggereren.

In een eerder artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , Hermann Nicolai en Krzysztof Meissner hebben een nieuwe hypothese gepresenteerd die probeert te verklaren waarom alleen de reeds bekende elementaire deeltjes voorkomen als fundamentele bouwstenen van materie in de natuur - en waarom, in tegenstelling tot wat eerder werd gedacht, er zijn geen nieuwe deeltjes te verwachten in het energiebereik dat toegankelijk is voor huidige of denkbare toekomstige experimenten.

In aanvulling, de twee onderzoekers postuleren het bestaan ​​van superzware gravitino's, wat hoogst ongebruikelijke kandidaten voor donkere materie kunnen zijn. In een tweede publicatie die onlangs in het tijdschrift verscheen Fysieke beoordeling D , ze hebben ook een voorstel gedaan om deze gravitino's op te sporen.

In hun werk, Nicolai en Meissner nemen een oud idee van Nobelprijswinnaar Murray Gell-Mann over dat gebaseerd is op de "N=8 Supergravity"-theorie. Een belangrijk element van hun voorstel is een nieuw type oneindig-dimensionale symmetrie die bedoeld is om het waargenomen spectrum van de bekende quarks en leptonen in drie families te verklaren. "Onze hypothese produceert eigenlijk geen extra deeltjes voor gewone materie die dan weggeredeneerd zouden moeten worden omdat ze niet verschijnen in versnellerexperimenten, ", zegt Hermann Nicolai. "Daarentegen onze hypothese kan in principe precies uitleggen wat we zien, in het bijzonder de replicatie van quarks en leptonen in drie families."

Echter, processen in de kosmos kunnen niet volledig worden verklaard door de gewone materie waarvan we ons al bewust zijn. Een teken hiervan zijn sterrenstelsels:ze draaien met hoge snelheid, en de zichtbare materie in het universum - die slechts ongeveer 5% van de materie in het universum uitmaakt - zou niet genoeg zijn om ze bij elkaar te houden. Tot dusver, echter, niemand weet waar de rest van gemaakt is, ondanks talloze suggesties. De aard van donkere materie is daarom een ​​van de belangrijkste onbeantwoorde vragen in de kosmologie.

"De algemene verwachting is dat donkere materie bestaat uit een elementair deeltje, en dat het nog niet mogelijk is geweest om dit deeltje te detecteren omdat het bijna uitsluitend door de zwaartekracht interageert met gewone materie, ", zegt Hermann Nicolai. Het in samenwerking met Krzysztof Meissner ontwikkelde model biedt een nieuwe kandidaat voor een dergelijk donkere-materiedeeltje, zij het een met totaal andere eigenschappen dan alle tot nu toe besproken kandidaten, zoals axions of WIMP's. Deze laatste hebben slechts een zeer zwakke wisselwerking met bekende materie. Hetzelfde geldt voor de zeer lichte gravitino's die herhaaldelijk zijn voorgesteld als kandidaten voor donkere materie in verband met supersymmetrie met lage energie. Echter, het huidige voorstel gaat in een heel andere richting, in dat het niet langer een primaire rol toewijst aan supersymmetrie, hoewel het schema afstamt van maximale N=8 superzwaartekracht. "Vooral, ons schema voorspelt het bestaan ​​van superzware gravitino's, die - in tegenstelling tot de gebruikelijke kandidaten en in tegenstelling tot de eerder beschouwde lichte gravitino's - ook sterk en elektromagnetisch zou interageren met gewone materie, " zegt Herman Nicolai.

Door hun grote massa kunnen deze deeltjes alleen in zeer verdunde vorm in het heelal voorkomen; anders, ze zouden het heelal 'oversluiten' en zo tot zijn vroege ineenstorting leiden. Volgens de Max Planck-onderzoeker je zou er eigenlijk niet veel van nodig hebben om het gehalte aan donkere materie in het universum en in onze melkweg te verklaren - één deeltje per 10, 000 kubieke kilometer zou voldoende zijn. De massa van het deeltje gepostuleerd door Nicolai en Meissner ligt in het gebied van de Planck-massa, dat wil zeggen, ongeveer honderd miljoenste van een kilogram. In vergelijking, protonen en neutronen - de bouwstenen van de atoomkern - zijn ongeveer tien triljoen (tien miljoen biljoen) keer lichter. In de intergalactische ruimte, de dichtheid zou nog veel lager zijn.

"De stabiliteit van deze zware gravitino's hangt af van hun ongebruikelijke kwantumgetallen (ladingen), " zegt Nicolai. "Specifiek, er zijn eenvoudigweg geen eindtoestanden met de bijbehorende ladingen in het standaardmodel waarin deze gravitino's zouden kunnen vervallen - anders, ze zouden kort na de oerknal zijn verdwenen."

Hun sterke en elektromagnetische interacties met bekende materie kunnen ervoor zorgen dat deze donkere materiedeeltjes gemakkelijker op te sporen zijn, ondanks hun extreme zeldzaamheid. Een mogelijkheid is om ze te zoeken met speciale vluchttijdmetingen diep onder de grond, aangezien deze deeltjes veel langzamer bewegen dan de lichtsnelheid, in tegenstelling tot gewone elementaire deeltjes afkomstig van kosmische straling. Hoe dan ook, ze zouden zonder moeite de aarde binnendringen vanwege hun grote massa - als een kanonskogel die niet kan worden gestopt door een zwerm muggen.

Dit feit geeft de onderzoekers het idee om onze planeet zelf te gebruiken als een "paleo-detector":de aarde draait al zo'n 4,5 miljard jaar door de interplanetaire ruimte, gedurende die tijd moet het door veel van deze massieve gravitino's zijn gepenetreerd. In het proces, de deeltjes hadden lang moeten blijven, rechte ionisatiesporen in de rots, maar het is misschien niet gemakkelijk om ze te onderscheiden van sporen veroorzaakt door bekende deeltjes. "Het is bekend dat ioniserende straling roosterdefecten in kristalstructuren veroorzaakt. Het kan mogelijk zijn om overblijfselen van dergelijke ionisatiesporen te detecteren in kristallen die gedurende miljoenen jaren stabiel blijven, ", zegt Hermann Nicolai. Vanwege de lange "blootstellingstijd" zou een dergelijke zoekstrategie ook succesvol kunnen zijn als donkere materie niet homogeen is verdeeld in sterrenstelsels, maar onderhevig is aan lokale dichtheidsfluctuaties - wat ook het mislukken van zoekopdrachten naar meer conventionele donkere materie zou kunnen verklaren. belangrijke kandidaten tot nu toe.